电磁失电制动器优化设计与仿真

周金华，李泽世，吴佳浩

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

电磁制动器是一种被广泛运用于传动系统中的产品，其主要作用是通过摩擦力抵消传动机构的动能，从而实现传动机构的锁止。随着应用的不断升级，对电磁制动器的要求也在不停增加，从最初的制动功能实现到现在的小型化需求、大扭矩需求、快速响应需求等。

本文主要从电磁制动器的制动盘结构及磁路结构入手，设计了一种新型结构，使其可以满足小型化、大扭矩、快响应的需求。

1 传统电磁失电制动器原理及结构

传统电磁失电制动器主要由静铁心组件、动铁心组件、制动盘组件、定板组件构成，如图1所示。

图1 传统制动器结构图

其工作原理是：通电时，静铁心组件中的线圈产生的电磁吸力将动铁心组件吸引并压靠静铁心组件右端面，同时压缩弹簧，使得动铁心与静铁心吸合。此时，制动盘组件上由弹簧产生的正压力被电磁力抵消，制动盘组件可以自由旋转。断电时，由线圈产生的电磁力消失，动铁心组件在弹簧力的作用下与静铁心脱开，制动盘组件受到动铁心组件传递过来的正压力后，在摩擦力的作用下，产生一个制动扭矩，从而实现制动器的锁止功能[1]。

2 新型电磁失电制动器原理及机构

本文设计的新型电磁失电制动器从制动环节和磁路两部分进行了结构优化，其总装图如图2所示。

图2 新结构总装图

2.1 制动环节结构优化

传统的制动环节一般由一个制动盘及一个动铁心组件构成，如图3所示。

图3 传统结构制动环节

当制动盘受到轴向的由弹簧通过动铁心组件传递过来的正压力后，在摩擦片的作用下，制动盘上将产生一个周向的制动扭矩，从而实现制动器的锁止功能。其中制动盘、动铁心组件和定板组件组成一组完整的失电制动摩擦副。

本文设计的制动盘组件部分由多组失电制动摩擦副串联构成，如图4所示。

图4 新型制动器制动环节结构

新型多组失电制动摩擦副的静环摩擦组件采用齿齿配合，与内齿圈齿部啮合处于静止状态；动环摩擦组件采用齿齿配合，与外齿轮齿部啮合而处于与电机轴相同的运动状态。

当多组失电制动摩擦副受到轴向的由弹簧通过动铁心传递过来的正压力后，每一组失电制动摩擦副都会产生一个周向的制动扭矩。在制动器中采用多层制动盘结构可以有效地提高制动器的制动力矩，使其在相同的弹簧力下，不增加产品直径，仅通过增加制动盘环节的副数，即能实现迅速增大制动力矩的效果，从而实现制动器对小体积、大扭矩的要求。

2.2 磁路结构优化

由图1可见，传统的电磁失电制动器其静铁心组件与动铁心组件的接触面为平面，其工作间隙即为两平面之间的间隙，通常不小于0.25 mm。由于气隙对磁路中的磁压降影响巨大，因此工作间隙的大小将直接影响工作时的制动器的功率损耗。本文设计的产品对结构进行了优化，如图5所示。

图5 新型静铁心与动铁心接触面结构

在新型电磁失电动器中其设置了4组失电制动器摩擦副。若每组所需的释放间隙为0.25 mm，则该4组失电制动器摩擦副总共需要1 mm的工作总释放间隙。由于电磁失电制动器的能量95%以上损耗在气隙上，制动器初始气隙越大则电磁制动器所需的安匝数越大。

为了减小制动器的安匝数且保持必须的工作总气隙，将动铁心与静铁心原有的平面气隙(初始气隙1 mm、工作总气隙1 mm)改进为动铁心与静铁心配合端面均设置凹凸结构的端面。优化后的初始气隙为0.15 mm，工作总气隙为1 mm，大大减小了改进结构后的动铁心和静铁心之间的初始磁路气隙，并保持工作总工作总气隙1 mm不变。

随着初始磁路气隙大大减小，本制动器所需的安匝数也大大降低，从而也导致静铁心组件的体积也大大减小。达到了制动器小体积、大扭矩的要求。

3 磁路仿真结构及分析

3.1 磁路结构仿真对比设计

为验证本设计产品的电磁结构有效性，将本磁路结构与传统磁路结构进行了仿真对比，两种结构的所有参数条件都一致，唯一不同点即动铁心与静铁心的接触结构，也是本设计的优化点。两种结构对比图如图6所示[3]。

图6 两种仿真结构图

3.2 仿真结果对比

对这两种结构分别进行仿真，从响应时间、响应速度、电磁力大小等角度进行对比，其对比结果如下表1所示，仿真结果对比图如表1所示。

表1 结果对比表

图7为T=0.001 s时，两模型对比图。

图7 传统结构与新结构仿真结果图(T=0.001 s)

由表1可见，在T=0.000 10 s时，新结构的位移为0.266 126 mm，传统结构的位移为0.226 414 mm，提升了17.54%的位移量；在T=0.000 15 s时，新结构的位移为0.556 942 mm，传统结构的位移为0.505 706 mm，提升了10.1%的位移量；在T=0.000 20 s时，新结构的位移为0.958 6 mm，传统结构的位移为0.903 543 mm，提升了6.09%的位移量；在T=0.000 25 s时，新结构的位移为1.477 493 mm，传统结构的位移为1.430 592 mm，提升了3.27%的位移量；

在相同的时间点，新结构的响应位移较传统结构更大，响应速度更快，但随着间隙的减少，这种差异会越来越小。这是因为随着气隙的减少，气隙磁阻也在显著减小，气隙对电磁力的影响指数级的减弱。

本结构通过减小失电状态下动铁心与静铁心之间的磁路气隙，大大降低线圈组件所需的安匝数，即使用较少的线圈实现同样的电磁力，同时可以降低静铁心的体积、质量以及产品的电磁功耗。

4 结 语

本文主要从结构及磁路两方面出发，对本文设计的电磁失电制动器进行了分析及仿真，通过仿真数据发现，本设计方向确实有效，可以减小电磁失电制动器的体积及所需的安匝数，同时可以提高电磁失电制动器的制动力矩。

通常情况下，制动器产品的整个响应时间在25 ms～35 ms之间，每一毫秒的提升都是一种进步。本文设计的磁路结构为初步设计，仅仅从定性的角度验证了该优化的可行性，后续将通过更多的仿真设计及结构设计寻找到一种效率更高、损耗更小的磁路结构，继续提升制动器产品的响应速度、减小产品的重量及降低产品的电磁功耗。